南安普顿研究组实现单通道OOK编码的100Gbps的硅光发射器

前几天在小豆芽微信讨论群里，大家在讨论南安普顿的这篇进展及亮点 （原文链接 https://osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-11-1514）。这里小豆芽简单梳理下相关的技术细节，为大家做一个参考。

原文非常简短，只有两页半，发表于Optica，核心思想是采用基于T-coil技术的CMOS驱动器增大带宽，最终实现了112Gbps的信号速率，功耗为1.59pJ/bit, 消光比大于3，ER为2.93dB。

典型的T-coil电路如下图所示，由两个互相耦合的电感L1、L2以及桥接电容Cb组成, 形成T型结构，

（图片来自http://www.53179.net/a/yule/364.html）

其传递函数满足下式，

相比于inductive peaking，T-coil方案的带宽可以提高70%，如下图所示。

（图片来自http://www.53179.net/a/yule/364.html）

一个很自然的想法是将T-coil电路引入到硅光的driver中，南安普顿研究小组基于TSMC 28nm的工艺，实现了基于T-coil的硅光CMOS driver, 其主要在顶层的两层厚金属上实现，而底层的金属用于电磁屏蔽，如下图所示，

(图片来自文献1)

硅光调制器采用U型结构的耗尽型调制器，

（图片来自文献2）

采用U型结构，主要是为了使得结构更加紧凑。调制器的调制效率为1.5V.cm, 传输损耗为2.7dB/mm，相移器的长度为 2.47mm.

整个芯片的结构如下图所示，driver芯片倒装在硅光芯片上，封装在一起。

（图片来自文献1）

眼图测试结果如下图所示，可以看出112Gbps时的眼图质量还是不错的。

（图片来自文献1）

这篇文章的一个启示，在硅光调制器的设计中，引入光电的协同设计，当无法通过光学结构进一步提高带宽、降低功耗的时候，把提高带宽的重担交给电芯片。这对硅光设计人员又提出了新的要求，需要对一些基本的模拟电路有所了解，得从top-level去思考这个问题。事实上，国际上已经有较多的研究小组开展了相关的研究工作，在driver上做文章，提高调制器带宽。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。也欢迎大家向我提问，小豆芽会尽自己的能力给出解释。另外，微信讨论1群和2群都已经满员，3群还有位置，有需要的朋友可以加入进来讨论硅光技术。大家也可以添加我的个人微信photon_walker。

参考文献：

1. K. Li, et.al., "Electronic–photonic convergence for silicon photonics transmitters beyond 100 Gbps on–off keying", Optica 7, 1514(2020)
2. K. Li and D. Thomson, et al., in European Conference on Optical Communication (ECOC) (2018).